Verbesserung der Wärmeableitung bei Hoch- und Höchstspannungskabeln

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1 18. Forum Netzbau- und Betrieb 6. und 7. Mai 2010 Zusammenfassung des Vortrags Verbesserung der Wärmeableitung bei Hoch- und Höchstspannungskabeln Raymund Böing, Ressortleiter Betontechnologie, Entwicklung und Anwendung, HeidelbergCement AG, Leimen Dr. Jörg Dietrich, Produktentwicklung und Qualitätsmanagement, HeidelbergCement Baustoffe für Geotechnik, Ennigerloh Hoch- und Höchstspannungskabel werden genehmigungsbedingt immer häufiger im Erdreich verlegt. Hierbei ist die Leitungstemperatur von besonderer Bedeutung. Die Höhe der Kabeltemperatur hängt u. a. ab von der durchgeleiteten Stromstärke und der Wärmeleitfähigkeit des Bettungsmateriales. Eine Steigerung der Kabelbelastbarkeit kann durch Bettungsmaterialien mit hohen Wärmeleitfähigkeiten erreicht werden. Zurzeit werden als thermische Stabilisierungsmaterialien Magerbeton oder korngestufte Sande eingesetzt. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien liegt bei etwa 1,0 W/(m K) 1, ist u. a. abhängig vom Feuchtegehalt des Bettungsmateriales und muss auch bei hohen Kabeltemperaturen von z.b. 70 C sichergestellt werden können. Entwicklungen im Bereich der HeidelbergCement AG Deutschland führten zu hochwärmeleitfähigen Betonen und Verfüllbaustoffen. Anwendungen, Vorteile und Eigenschaften der neuen und innovativen Produkte werden vorgestellt. Hiermit wird es möglich von Kupfer auf Aluminium-Leiter zu wechseln oder den Leiterquerschnitt zu verringern. Die hochwärmeleitfähigen Baustoffe machen eine Bündelung von Kabeln und eine damit verbundene wesentliche Verringerung des Magnetfeldes möglich. Hotspots können bei Verwendung des neuen Baustoffes ohne Querschnittsvergrößerung im Bereich der thermischen Stabilisierung realisiert werden 2. Die Wärmeleitfähigkeit auch dieser Baustoffe ist abhängig von deren Feuchtegehalt. Im wassergesättigten Zustand sind Werte von bis zu 6 W/(m K) erreichbar und im getrockneten Zustand mindestens 3 W/(m K). Mit letztgenanntem Wert kann bei der Kabelprojektierung gerechnet werden. Welche Wärmeleitfähigkeit später in der Praxis genutzt werden kann, hängt ab von dem sich einstellenden Feuchtigkeitsgehalt des Bettungsmateriales. Vermutlich werden es Wärmeleitfähigkeiten zwischen 3 und 5 W/(m K) sein. Es ist anzunehmen, dass sich ein statischer Wert wegen kabeltemperaturbedingtem variierenden Feuchtegehalt nicht einstellen wird. Um trotzdem die volle Leistungsfähigkeit des hochwärmeleitfähigen Bettungsmateriales zu nutzen, wäre eine situationsbedingte aussteuerbare Belastbarkeit des Kabels wünschenswert. Eine gemeinschaftliche Entwicklung der nkt cables Köln und dem Institut Energietransport und -speicherung an der Universität Duisburg-Essen führte zu einem mit entsprechender Sensorik ausgestattetem Kabel, dessen Belastbarkeit unter Nutzung einer hierfür entwickelten Software in Abhängigkeit von der Leitungstemperatur ausgesteuert werden kann. Diese innovative Kabeltechnologie macht es möglich die neuen hochwärmeleitfähigen Baustoffe der HeidelbergCement AG Deutschland in ihrer vollen Leistungsfähigkeit zu nutzen. 1 2 Prof. H. Brakelmann, Universität Duisburg, Studie: Einsatzmöglichkeiten hochwärmeleitfähiger Rückfüllmaterialien für den Kabelgraben, April 2009, HeidelbergCement AG Baustoffe für Geotechnik GmbH Ennigerloh Dr. Jörg Dietrich, Dr. Andreas Märten, Prof. Dr.-Ing. habil. Heiner Brakelmann, Dipl.-Ing. Hans-Peter May, Verbesserte Stromtragfähigkeit Hochwärmeleitfähiger Spezialbeton für Kabelgraben, ew Jg. 108 (2009), Heft S

2 Verbesserung der Wärmeableitung bei Hoch- und Höchstspannungskabeln Raymund Böing Entwicklung und Anwendung, HeidelbergCement AG, Leimen Dr. Jörg Dietrich HeidelbergCement Baustoffe für Geotechnik, Ennigerloh 18. Forum Netzbau und Betrieb am 6. und 7. Mai 2010 MARITIM Hotel Köln Folie 1 Gliederung Raymund Böing Einleitung und Übersicht Hochwärmeleitfähiger Spezialbeton Dr. Jörg Dietrich Hochwärmeleitfähige Verfüllbaustoffe Produkt zur Sanierung von Hotspots Produkt zur Ringraumverfüllung bei Kabel / Hüllrohrsystemen Zusammenfassung Folie 2 1

3 Gliederung Raymund Böing Einleitung und Übersicht Hochwärmeleitfähiger Spezialbeton Dr. Jörg Dietrich Hochwärmeleitfähige Verfüllbaustoffe Produkt zur Sanierung von Hotspots Produkt zur Ringraumverfüllung bei Kabel / Hüllrohrsystemen Zusammenfassung Folie 3 Einleitung und Übersicht Bettung von erdverlegten Hoch- und Höchstspannungskabeln Wiederverfülltes Erdreich Kunststoffplatte Sand oder Magerbeton Vorteilhafte Alternative: hochwärmeleitfähiger Spezialbeton Kunststoffrohre hochwärmeleitfähiger Verfüllbaustoff Folie 4 2

4 Gliederung Raymund Böing Einleitung und Übersicht Hochwärmeleitfähiger Spezialbeton Dr. Jörg Dietrich Hochwärmeleitfähige Verfüllbaustoffe Produkt zur Sanierung von Hotspots Produkt zur Ringraumverfüllung bei Kabel / Hüllrohrsystemen Zusammenfassung Folie 5 Wärmeleitbeton Wechsel auf Aluminiumleiter möglich Strombelastbarkeit bzw. Übertragungsleistung 110 kv / 2500 Al + rd. 40 % 2500 Cu Quelle: s. letzte Folie Folie A (2500 Cu - keine thermische Stabilisierung) 1547 A (2500 Cu - normales Stabilisierungsmaterial) 3

5 Wärmeleitbeton Reduzierung Magnetfeld durch Bündelung 110 kv VPE Einleiterkabel für 260 MVA Dauerlast (1365 A) h = 1,32 m h = 0,60 m = 1 W/(mK) 1,2 m 3 /m 1 = 4 W/(mK) 2 1,0 m 3 /m Quelle: s. letzte Folie magnetische Induktion Grenzwert BImsch 1 a a b b 2 horizontaler Kabelabstand a Messung Erdoberfläche b Messung in 1 m Höhe Folie 7 Wärmeleitbeton Reduzierung Magnetfeld durch Bündelung 110 kv VPE Einleiterkabel für 260 MVA Dauerlast (1365 A) h = 1,32 m h = 0,60 m = 1 W/(mK) 1,2 m 3 /m 1 = 4 W/(mK) 1) Grenzwert in bestimmten Regionen Italiens 2 1,0 m 3 /m magnetische Induktion 1) = 4 W/(mK) 2 = 1 W/(mK) 1 horizontaler Kabelabstand Quelle: s. letzte Folie Folie 8 4

6 Wärmeleitbeton Entschärfung von Hotspots einfach möglich 1,50 0,30 1,20 notwendiger thermisch stabilisierter Querschnitt mit = 4 W/(mK): V = (1,80 m 1,05 m) * 0,60 m y o b = 0,60 Quelle: s. letzte Folie 404 A (7 MVA) 952 A (180 MVA) Strombelastbarkeit = 4 W/(mK) = 1 W/(mK) V = 0,45 m 3 /m Folie 9 Überdeckung Gliederung Raymund Böing Einleitung und Übersicht Hochwärmeleitfähiger Spezialbeton Dr. Jörg Dietrich Hochwärmeleitfähige Verfüllbaustoffe Produkt zur Sanierung von Hotspots Produkt zur Ringraumverfüllung bei Kabel / Hüllrohrsystemen Zusammenfassung Folie 10 5

7 Wärmeleitbeton Konsistenz/Verarbeitbarkeit Prüfung Ausbreitmaß beim normalem Beton Folie 11 Prüfung Setzfließmaß beim selbstverdichtenden Beton Wärmeleitbeton Konsistenz/Verarbeitbarkeit Fließ- bzw. Setzfließmass ohne Schläge Ausbreitmass nach 15 Schlägen 330 mm 530 mm 820 mm Setzfließmaßklasse SF mm 460 mm Ausbreitmaßklasse F mm Folie mm Ausbreitmaßklasse F mm 650 mm Ausbreitmaßklasse F mm 6

8 Wärmeleitbeton Konsistenz/Verarbeitbarkeit Konsistenz und Ansteifverhalten des Wärmeleitbetons Ausbreit- (DIN EN ) bzw. Setzungsfließmass (DAfStb SVB-Richtlinie) über die Zeit Setzfließmass mm Ausbreitmass Konsistenz F3 Konsistenz F6 Konsistenz SV Ausbreitmass Zeit in Minuten Folie 13 Wärmeübergangswiderstand Thermobild nach 1 h Wassertemperatur 45 C Thermobild nach 1 h Wassertemperatur 45 C fließfähige Konsistenz Ausbreitmaß 630 mm steife Konsistenz Ausbreitmaß 340 mm fließfähiger Wärmeleitbeton = niedrigerer Wärmeübergangswiderstand Folie 14 7

9 Wärmeleitbeton Festigkeitsentwicklung des Wärmeleitbetons Betondruckfestigkeit nach DIN EN C12/15 nach DIN EN 206-1/DIN N/mm Konsistenz F3 Konsistenz F6 Konsistenz SV Alter in Tagen Folie 15 Wärmeleitbeton - Wärmeleitfähigkeit Prüfung der Wärmeleitfähigkeit nach 2, 7, 14 und 28 d an jeweils 2 10er Betonzylindern Lagerung: 1 d in der Form vor dem Austrocknen geschützt, dann bis zum 2. bzw. 7. d unter Wasser, dann bis zum 14. bzw. 28. d bei 20 C/65 % r.f. Messung an der feuchten Probe Bestimmung der Restfeuchte (trocknen bis zur Gewichtskonstanz bei 80 C) zweite Messung an getrockneter Probe Prüfgerät: ISOMET Heat Transfer Analyzer Model 2104 Folie 16 8

10 Wärmeleitbeton - Wärmeleitfähigkeit Wärmeleitfähikeit in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt 6 Wärmeleitfähigkeit in W / (m K) y = 0,16x + 3,47 R 2 = 0,89 trocken y = 0,16x + 3,06 R 2 = 0,94 feucht y = 0,14x + 2,95 R 2 = 0,98 möglicher Bemessungswert 2 nkt cables Kabel-Sensorik und Software der Universität Duisburg/Essen (Prof. Brakelmann) führt zur temperaturabhängigen Aussteuerung der Kabelbelastbarkeit und 1 ermöglicht die volle Ausnutzung der feuchtegehaltsabhängigen Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitbetons Feuchtegehalt in % F3 16 mm F6 8 mm SV 8 mm Linear (F3 16 mm) Linear (F6 8 mm) Linear (SV 8 mm) Folie 17 Wärmeleitbeton Bemessungswert der Wärmeleitfähigkeit Bemessungswert: B = 3 W / (m K) Prüfung in der werkseigenen Produktionskontrolle: Prüfkörper: drei 10er Betonzylinder h/d = 1 Prüfgerät: ISOMET Heat Transfer Analyzer Model 2104 Prüfalter: Geprüft im Betonalter von 28 d Prüfkörperlagerung: 1 d in der Form vor dem Austrocknen geschützt, dann bis zum 7 d unter Wasser, dann bis zum 28 d bei 20 C/65 % r.f. dann trocknen bis zur Gewichtskonstanz bei 80 C Prüfergebnis P : Mittelwert aus Messungen an drei Prüfkörpern Beurteilung des Prüfergebnisses: P B = 3 W / (m K) Folie 18 9

11 I Wärmeleitbeton Praxisversuch bei nkt cables in Köln Prof. Brakelmann 2200 A A 1500 A 1800 A Folie e e+06 2e+06 s 2.5e+06 t Wärmeleitbeton Praxisversuch bei nkt cables in Köln Reduzierung Leitertemperatur durch Wärmeleitbeton 90 C 80 C 55 C 44 C 59 C 36 C Sand B = 0,4 W/(mK) Erdreich B = 1,2 W/(mK) Wärmeleitbeton B = 5,4 W/(mK) Zeit in Tagen gemessen simuliert (gerechnet) Zeit in Tagen Folie 20 10

12 Wärmeleitbeton Praxisversuch bei nkt cables in Köln Prof. Brakelmann Folie 21 Stromstärke Kabeltemperatur Sand Wärmeleitbeton Reduzierung A C C % Gliederung Raymund Böing Einleitung und Übersicht Hochwärmeleitfähiger Spezialbeton Dr. Jörg Dietrich Hochwärmeleitfähige Verfüllbaustoffe Produkt zur Sanierung von Hotspots Produkt zur Ringraumverfüllung bei Kabel / Hüllrohrsystemen Zusammenfassung Folie 22 11

13 Werksfertige Verfüllbaustoffe Produkteigenschaften Folie 23 Pulverförmige Baustoffe (Sackware, Big Bag, Siloware) Werksfertige Verfüllbaustoffe Produkteigenschaften Produkteigenschaften: Die Sicherstellung der Produktqualität erfolgt durch ein werksseitiges ttqualitätsmanagement. Werksfertige Trockenbaustoffe müssen auf der Baustelle nur noch mit ttwasser angemischt werden. Die so hergestellten Suspensionen sind sofort gebrauchsfertig. Folie 24 12

14 Werksfertige Verfüllbaustoffe Mischaggregate Kolloidalmischer (hochtourig) Durchlaufmischer (niedertourig) Folie 25 Gliederung Raymund Böing Einleitung und Übersicht Hochwärmeleitfähiger Spezialbeton Dr. Jörg Dietrich Hochwärmeleitfähige Verfüllbaustoffe Produkt zur Sanierung von Hotspots Produkt zur Ringraumverfüllung bei Kabel / Hüllrohrsystemen Zusammenfassung Folie 26 13

15 Werksfertige Verfüllbaustoffe Anwendungsgebiete 1. Verfüllbaustoffe für die direkte Kabelbettung Stauwärmeübertragung Kabel / Erdreich Kleinbaustellen, für die eine Belieferung durch Transportbeton nicht wirtschaftlich ist (z. B. Sanierung von Hotspots) 2. Verfüllbaustoffe für die Verfüllung von Kabel/ Hüllrohr- Systemen Stauwärmeübertragung Kabel / Hüllrohr Optimierung der Wärmeableitung bei allen tkabel/ Hüllrohr-Systemen Folie 27 Gliederung Raymund Böing Einleitung und Übersicht Hochwärmeleitfähiger Spezialbeton Dr. Jörg Dietrich Hochwärmeleitfähige Verfüllbaustoffe Produkt zur Sanierung von Hotspots Produkt zur Ringraumverfüllung bei Kabel / Hüllrohrsystemen Zusammenfassung Folie 28 14

16 Verfüllbaustoff direkte Kabelbettung Anforderungsprofil Anforderungsprofil Gut pumpfähige Konsistenz sowie Sedimentationsstabilität Fehlstellenfreie Verfüllung des Ringraumes Gute thermische Kopplung zwischen dem Kabel tund dem umgebenden Erdreich Hohe Wärmeleitfähigkeit / Austrocknungsbeständigkeit Hohe Wärmeleitfähigkeit auch im Fall einer Austrocknung durch Stauwärmeeinfluss (Flüssigbodenrezepturen sind daher nicht geeignet) Folie 29 Verfüllbaustoff direkte Kabelbettung Konsistenz Folie 30 Konsistenz Verfüllbaustoff für direkte Kabelbettung (Ausbreitmaß nach DIN 18555: ca. 240 mm) 15

17 Verfüllbaustoff direkte Kabelbettung Wärmeleitfähigkeit 7 6 Wärmeleitfähigkeit [W / (K*m)] Lagerung bei 20 C und > 95 % Luftfeuchte Lagerung bei 80 C und 65 % Luftfeuchte Lagerung bei 105 C Probenalter [Tage] Folie 31 Wärmeleitfähigkeit nach Trocknung bei 80 C ca. 3 W/(m K) Verfüllbaustoff direkte Kabelbettung Festigkeitsentwicklung Einaxiale Druckfestigkeit [N/mm²] Probenalter [Tage] Folie 32 Einaxiale Druckfestigkeit nach 28 Tagen ca. 18 N/mm² 16

18 Gliederung Raymund Böing Einleitung und Übersicht Hochwärmeleitfähiger Spezialbeton Dr. Jörg Dietrich Hochwärmeleitfähige Verfüllbaustoffe Produkt zur Sanierung von Hotspots Produkt zur Ringraumverfüllung bei Kabel / Hüllrohrsystemen Zusammenfassung Folie 33 Verfüllbaustoff Kabel/Hüllrohrsystem Anforderungsprofil Anforderungsprofil Hoch fließfähige Konsistenz sowie Sedimentationsstabilität Verfüllung enger Ringräume und langer thaltungslängen Gute thermische Kopplung zwischen dem Kabel tund dem umgebenden Hüllrohr Hohe Wärmeleitfähigkeit Hohe Wärmeleitfähigkeit im feuchten Zustand Folie 34 17

19 Verfüllbaustoff Kabel/Hüllrohrsystem Rheologie Folie 35 Zur Aussteuerung der Fließeigenschaften und zur Stabilisierung der Suspension enthält die Baustoffrezeptur einen auf die Anwendung abgestimmten Tonmineralanteil. Verfüllbaustoff Kabel/Hüllrohrsystem Wärmeleitfähigkeit 3,5 0,28 Wärmeleitfähigkeit [W/(m*K)] 3 2,5 2 1,5 1 0,5 CableGrout 0,4 CableGrout 0,8 0,33 0,4 0,5 0, Thermischer Widerstand [(m*k)/w] Dichte [kg/m³] Folie 36 Optimierung der thermischen Eigenschaften durch hochwärmeleitfähige Additive 18

20 Verfüllbaustoff Kabel/Hüllrohrsystem Festigkeitsentwicklung 0,6 Einaxiale Druckfestigkeit [N/mm²] 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Probenalter [Tage] Folie 37 Einaxiale Druckfestigkeit nach 28 Tagen ca. 0,5 N/mm² Verfüllbaustoff Kabel/Hüllrohrsystem Praxisbeispiel Kabelanbindung Offshore-Windpark Thornton Bank an 150 KV-Netz Oostende Folie 38 19

21 Verfüllbaustoff Kabel/Hüllrohrsystem Praxisbeispiel Folie 39 Hochwärmeleitfähige Verfüllbaustoffe Übersicht Direkte Kabelbettung Kabel/ Hüllrohr- Systeme Konsistenz Pumpfähig W/(mK) / (mk)/w Hoch fließfähig W/(mK) / (mk)/w / R (feucht) ca. 5 / 0,20 ca. 1,2 / 0,8 (CableGrout 0,8) ca. 2,5 / 0,4 (CableGrout 0,4) / R (trocken) ca. 3 / 0,33 n. b. Folie 40 20

22 Gliederung Raymund Böing Einleitung und Übersicht Hochwärmeleitfähiger Spezialbeton Dr. Jörg Dietrich Hochwärmeleitfähiger Verfüllbaustoff Produkt zur Sanierung von Hotspots Produkt zur Ringraumverfüllung bei Kabel / Hüllrohrsystemen Zusammenfassung Folie 41 Zusammenfassung Durch Wärmeleitbeton von Heidelberger Beton Steigerung der Strombelastbarkeit möglich. Reduzierung des Leiterquerschnittes möglich. Wechsel auf Aluminiumleiter möglich. Entschärfung von Hot-Spots unter Nutzung der Kabel-Bündelung Reduzierung der magnetischen Induktion fließfähiger Wärmeleitbeton führt zur besseren Wärmeableitung Bemessungswert Wärmeleitfähigkeit B = 3 W / (m K) nkt cables Kabel-Sensorik / Aussteuerungs-Software Universität Duisburg Hochwärmeleitfähige Verfüllbaustoffe von HC Geotechnik Baustoff für direkte Kabelbettung: Belieferung von Kleinbaustellen (Wärmeleitfähigkeit (trocken) ca. 3 W/ (m K); Ergänzung zum Wärmeleitbeton) Verfüllbaustoffe für Kabel/ Hüllrohrsysteme (CableGrout) (Wärmeleitfähigkeit (feucht) ca. 1,2 bzw. 2,5 W /(m K); Hochfließfähig) Folie 42 21

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Folie 43 Ansprechpartner Wärmeleitbeton bei Heidelberger Beton: Alexis Pimpachiridis Produktmanager Ansprechpartner CableGrout bei HC Geotechnik: Christof Pufahl Technische Beratung und Verkauf Quelle: Dr. Jörg Dietrich, Dr. Andreas Märten, Prof. Dr.-Ing. habil. Heiner Brakelmann, Dipl.-Ing. Hans- Peter May, Verbesserte Stromtragfähigkeit Hochwärmeleitfähiger Spezialbeton für Kabelgraben, ew Jg. 108 (2009), Heft S Folie 44 22